Распыление ионной бомбардировкой (катодное распыление)

Ионно-плазменное напыление происходит в тлеющем разряде и состоит в распылении материала отрицательно заряженного электрода - мишени под действием ударяющихся об него ионизированных атомов газа и осаждении распыленных атомов на подложку.

На картинке представлена схема рабочей камеры установки катодного распыления. Основными элементами камеры являются:

1. Анод с размещенными на нём подложками
2. Игольчатый натекатель, обеспечивающий непрерывную подачу аргона
3. Катод - мишень из материала, подлежащего распылению
4. Вакуумный колпак из нержавеющей стали
5. Экран, охватывающий катод с небольшим зазором и предотвращающий паразитные разряды на стенки камеры
6. Постоянный электромагнит, удерживающий электроны в пределах разрядного столба
7. Герметизирующая прокладка.

Из рисунка также видно, что питание осуществляется постоянным напряжением, и что нижний электрод с подложками заземлён и находится под более высоким потенциалом, чем катод-мишень. Переменная нагрузка служит для регулирования тока разряда.

Принцип катодного распыления заключается в следующем. В подколпачном устройстве при давлении 10⁻¹ -10⁻³ мм ртутного столба между двумя электродами, удаленными друг от друга на несколько сантиметров, при анодном напряжении более 10³ В возбуждается тлеющий разряд. Положительные ионы остаточного газа, как правило, аргона, ускоряются в темновом пространстве и бомбардируют катод, выбивая атомы катодного материала из кристаллической решетки. Эти атомы с относительно высокой энергией осаждаются на поверхность подложки. При этом образуется равномерная тонкая планка. Из-за сильного рассеяния распыляемых атомов в атмосфере остаточного газа тонкие маски, плотно лежащие на подложке, не лают четких контуров. Поэтому для формирования топологии дополнительно используют фотолитографию. Тонко дозированное добавление таких газов, как кислород и азот, позволяет в широких пределах влиять на механические и электрические свойства пленок. Газы, подверженные ионизации в тлеющем разряде, являются химически наиболее активными, что позволяет получать оксидные и нитридные пленки самым простым способом. Такое распыление, связанное с химической реакций, называется реактивным распылением.

При распылении диэлектриков необходимо учесть, что попадающие на катод положительные ноны не могут больше нейтрализоваться электронами, поступающими от источника питания. При этом катод быстро заряжается положительно и отталкивает все последующие ноны. Так как не эмиттируются электроны для ионизации новых молекул газа, то тлеющий разряд гаснет. Одним из методов получения недостающих электронов является использование особого источника, например термо-эмиссиоиного катода (триодная система распыления).

Работа на переменном напряжении также уменьшает неустойчивость тлеющего разряда. При этом положительный заряд, накапливающийся на катоде в течение одной полуволны, нейтрализуется электронами следующей полуволны.

Важнейшими параметрами для контроля свойств пленок при катодном распылении являются:

• давление рабочего газа
• чистота рабочего газа
• напряжение распылении (I—5 кВ)
• плотность тока (0,1—20 мА/см2) в зависимости от давления и напряжения
• температура подложки.

Свойства пленок при катодном распылении в большей степени зависят от геометрии деталей применяемого оборудования, чем при термовакуумном испарении.

По сравнению с термическим вакуумным испарением данный процесс позволяет получать пленки тугоплавких металлов, наносить диэлектрические пленки, соединения и сплавы, точно выдерживая их состав, обеспечивать равномерность и точное воспроизведение толщины пленок на подложках большей площади, а также малую инерционность процесса.

Достоинством метода также является отсутствие в техпроцессе высоких температур.

Недостаток метода – его длительность - скорость роста плёнки (единицы нм/с) из-за значительного рассеивания распыляемых атомов материала в объёме рабочей камеры